無論您的終端應(yīng)用是什么，可靠性都將是設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一。實(shí)現(xiàn)可靠性的方法多種多樣。

在考慮設(shè)計(jì)可靠性時(shí)，大部分工程師都將注意力集中在一個(gè)綜合性度量標(biāo)準(zhǔn)：平均故障間隔時(shí)間。事實(shí)上，平均故障間隔時(shí)間(MTBF)是評(píng)估設(shè)計(jì)可靠性重要參數(shù)之一。但是另一個(gè)參數(shù)“成功概率”，也同樣重要。因此為了最終推出可靠的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮其它因素并確保進(jìn)行準(zhǔn)確的可靠性分析。

無論您設(shè)計(jì)哪種產(chǎn)品，可靠性都是必不可少的，盡管原因不盡相同，但都取決于終端應(yīng)用。航空航天與軍事設(shè)計(jì)人員必須確保操作員/乘客的安全，確保成功完成任務(wù)。在電信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)可靠性的目的則是防止出現(xiàn)服務(wù)中斷的情況，因?yàn)檫@樣會(huì)影響收入流與聲譽(yù)。工業(yè)和流程控制工程師的任務(wù)就是盡可能縮短停機(jī)時(shí)間，在故障發(fā)生時(shí)，能夠確保安全、無故障運(yùn)行。對(duì)于商業(yè)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員必須確保其產(chǎn)品在規(guī)定的質(zhì)保期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)任何問題。

使用FPGA可以研發(fā)出集成度更高的解決方案，從而可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。當(dāng)器件制造商定期提供季度可靠性報(bào)告時(shí)，這一點(diǎn)更為明顯，賽靈思就是如此做的，其出版的季度可靠性報(bào)告名為《UG116》。

從最高層次來說，可從兩個(gè)角度來考慮可靠性。第一，系統(tǒng)在規(guī)定使用壽命內(nèi)順利運(yùn)行的可信度。這一點(diǎn)可以采用MTBF、成功概率以及熟悉的浴盆曲線。第二，發(fā)生錯(cuò)誤事件時(shí)，如何確保您的設(shè)計(jì)可以繼續(xù)工作并保持無故障運(yùn)行，或者針對(duì)尚未解決的問題出具報(bào)告。我們工程師開展設(shè)計(jì)與分析的方法可以影響到可靠性的上述兩個(gè)方面。

為了確保解決方案的可靠性，您的開發(fā)環(huán)境必須建立正確的工程設(shè)計(jì)治理制度，設(shè)置審查關(guān)口、設(shè)計(jì)規(guī)則與指南，同時(shí)在生命周期內(nèi)，應(yīng)該安排同行在適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立審核。

MTBF與浴盆曲線

MTBF的定義是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的故障間隔時(shí)間。制造商取各個(gè)組件的故障率倒數(shù)計(jì)算MTBF。我們一般將這些故障率稱為FIT率，其中，故障時(shí)間（FIT)為1e-9小時(shí)-1。您既可向組件供應(yīng)商索取故障率，亦可根據(jù)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-217F或Bell-core/Telcordia SR332標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。MTBF與FIT率之間的關(guān)系如下所示：

但是，上述故障率僅對(duì)浴盆曲線中的恒定故障率周期有效，如圖1所示。

浴盆曲線描繪的是產(chǎn)品引入時(shí)的早期（“早期故障期”）故障、正常使用壽命內(nèi)發(fā)生的故障（“恒定故障率”）以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命結(jié)束時(shí)的故障。因此，生產(chǎn)過程中，通常會(huì)進(jìn)行某種形式的“老化試驗(yàn)”，排除早期故障期故障。老化試驗(yàn)過程中，在各種溫度作用下，器件潛在缺陷會(huì)加快發(fā)生，這樣便可以確保器件在交付、裝入系統(tǒng)之前失效。

您可以通過韋伯分布、或壽命數(shù)據(jù)與分析來確定您的產(chǎn)品或系統(tǒng)在浴盆內(nèi)的位置，利用Excel很容易完成。形狀參數(shù)β表明故障率是穩(wěn)定、增加還是減少。若形狀參數(shù)(β)小于1.0，則表明早期故障期內(nèi)，故障率在下降，若形狀參數(shù)大于1.0，則表明故障率在上升，而此現(xiàn)象會(huì)在磨損階段出現(xiàn)。

為了確保成功概率合格，許多產(chǎn)品都要求MTBF必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期使用壽命。

確定您在浴盆曲線中的位置后，如果您認(rèn)為系統(tǒng)至少在MTBF期間可以繼續(xù)無故障運(yùn)行，那也是情有可原的。然而情況并非如此。MTBF是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度描述產(chǎn)品在使用壽命內(nèi)可能出現(xiàn)的故障率；并非指產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命。如果想要獲得產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命，我們需要考慮通過以下公式所求得的成功概率，其中t表示預(yù)期工作時(shí)間（單位：小時(shí)）。

將成功概率繪制成圖之后，可以看到，當(dāng)預(yù)期工作時(shí)間接近MTBF時(shí)，成功概率為0.37左右，如圖2所示。這意味著成功概率這一單個(gè)模塊在MTBF達(dá)到0.37所消耗的時(shí)間之后，仍然有效。如果考慮到一批器件，則其中的37%仍然正常工作。

因此，為了確保工作壽命內(nèi)成功概率合格，許多系統(tǒng)/產(chǎn)品都要求MTBF必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期使用壽命。例如，假設(shè)使用壽命為五年，成功概率為0.99，則產(chǎn)品所要求的MTBF必須達(dá)到4,361,048小時(shí)或497年，如以下公式所示。

顯而易見，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了使用壽命。

可靠性計(jì)算

您可以采用以下方法之一計(jì)算可靠性與MTBF——零件計(jì)數(shù)分析或零件應(yīng)力分析。其中零件計(jì)數(shù)分析比較簡(jiǎn)單，有時(shí)候可以在開發(fā)周期早期進(jìn)行，作為產(chǎn)品是否達(dá)到可靠性要求的指標(biāo)之一。此類分析考慮到了零件質(zhì)量水平、數(shù)量以及使用環(huán)境。零件計(jì)數(shù)分析可以快速進(jìn)行。但是，結(jié)果趨向于保守，導(dǎo)致故障率上升，MTBF縮短。

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零件應(yīng)力分析將會(huì)考慮到更多參數(shù)，因此所需時(shí)間更長(zhǎng)，但是此類分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確。應(yīng)力分析需要考慮到溫度、電應(yīng)力、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境等許多因素，具體取決于您所分析的組件種類。對(duì)于當(dāng)前應(yīng)用而言，此類分析所獲得的故障率要準(zhǔn)確得多。